国外天然气水合物勘探现状及我国水合物勘探进展.pdf

2 0 1 0年第 3 7卷第 1 0期 探矿工程( 岩土钻掘工程 ) 国外天然气水合物勘探现状及 我国水合物勘探进展 张永 勤 ( 中国地 质科 学院勘探 技术研究所 ， 河北 廊坊 0 6 5 0 0 0 ) 摘要： 概述了国外天然气水合物调查研究的进展情况， 介绍了我国在天然气水合物调查研究的历史、 工作过程及 目前取得的进展。详细地介绍了我国陆地永久冻土天然气水合物钻探取样器具、 工艺方法、 应用现状及钻探取样 施工取得的成果 ， 提出了我国未来陆地冻土天然气水合物勘探开发工作任务和建议。 关键词： 天然气水合物； 永久冻土带 ； 钻探取样； 开采利用 中图分 类号 ： T D 8 7 ； P 6 3 4 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 2 7 4 2 8 ( 2 0 1 0 ) l O一 0 0 0 1 0 8 Ex p l o r a t io n Cu r r e n t S t a t u s o f t h e Ga s Hy d r a t e Ab r o a d a n d t h e Pr o g r e s s o f t h e Ga s Hy d r a t e in Ch in a Z H A NG Y o n g q i n( T h e I n s t i t u t e o f E x p l o r a t i o n T e c h n i q u e s ， C A G S ， L a n g f a n g H e b e i 0 6 5 0 0 0 ，C h in a ) Ab s t r a c t ：T h is p a p e r o u t l in e s t h e p r o g r e s s o f t h e g a s h y d r a t e s u r v e y r e s e a r c h a b r o a d，a n d in t r o d u c e s t h e h is t o r y ，wo r k in g p r o c e s s a n d s o me p r o g r e s s o f t h e g a s h y d r a t e s u r v e y in Ch in a An d s o me d r il l in g a n d s a mp l in g t o o l s ，d r il l in g t e c h n o l o g ie s ， a p p l ic a t io n s t a t u s a n d d r il l in g a c h ie v e me n t f o r t h e g a s h y d r a t e in t h e p e r ma f r o s t a r e in t r o d u c e d in d e t a il s a n d t h e t a s k o f t h e e x p l o r a t io n a n d d e v e l o p me n t a n d s o me o p in io n s o f t h e g a s h y d r a t e in t h e p e r ma f r o s t in t h e f u t u r e a r e p r e s e n t e d in t h e p a p e r Ke y wo r d s ：g a s h y d r a t e ；t h e p e r ma f r o s t l a n d ；d r il l in g s a mp l in g；min in g a n d u s in g 0 引 言 天然气水 合物是 由水 与气体 分子 ( 以 甲烷 为 主) 在低温高压及气体浓度大于其溶解度条件下形 成的貌似冰的结晶状 固体物质 ， 点燃可燃烧 ， 人们俗 称“ 可燃 冰 ” ， 英 文简 称 G H( G a s H y d r a t e ) 或 M H ( Me t h a n e H y d r a t e ) 。人们在实验室发现这种物质 已 有 2 0 0多年的历史 ， 起初 由于能源和环境没有对人 类生存和发展构成一定 的威胁 ， 所 以人们对它的存 在并没有给予足够的重视和关注。随着人类发展对 能源需求的不断增加以及对环境气候的不利影 响， 科技界开始寻找新的可替代石油或天然气 的能源。 通过科学家的多年探索研究发现 ， 天然气水合物广 泛地存在于海底和陆地永久冻土带 ， 由于天然气水 合物的特殊生存环境 、 可产生 自身体积 1 6 4倍 的甲 烷气体 、 而且单位能量 的甲烷燃烧释放出来 的温室 气体 C O 仅为煤炭的 1 2 。依据科学家最新和较为 保守的估算 ， 全球海洋和陆地上已发现 的天然气水 合物矿藏所蕴藏的甲烷气体约为( 1 5 ) X 1 0 m ( 1 0 0 0 5 0 0 0万亿 1 13 ) ， 超过 了全世界天然气 的总 储量 ， 因此 ， 天然气水合物被认为极有可能成为未来 最有远景的新型净洁性接替能源 ， 所 以引起了世界 各 国的广泛关注。 中国继 2 0 0 7年 于南海北部陆坡发现海底天然 气水合物之后 ， 又于 2 0 0 8年 1 1 月在青藏高原祁连 山脉木里地区永久冻土带钻获 了水合物实物样 品。 这一发现突破 了陆域天然气水合物只生存于两极地 区的永久冻土带 ( 俄 、 加美等 国的陆域水合 物即属 于此 ) 的认识 ， 首次在 中纬度地 区的高海拔冻 土带 找到 了天然气水合物 ， 具有较大的战略及科学研究 意义 ， 也为陆域天然气水合物资源的勘查开发与环 境研究开启 了新 的篇章。 1 国外天然气水合物勘探现状 1 9 6 5年， 苏联在西伯利亚的的永久冻土中首次 发现天然产出的天然气水合物。1 9 7 1年 ， 美国在其 东海岸大陆边缘利用地震反射剖面发现了具有水合 物标志的 B S R( 拟海底反射层) 。2 0世纪 7 0年代 以 来 ， 美国、 日本 、 加拿大 、 俄罗斯 、 挪威 、 德 国、 印度 、 巴 西等国相继投入大量资金进行天然气水合物调查研 究。1 9 7 9年 ， 国际深海钻探计划 ( D S D P) 在大西洋 收稿 日期 ： 2 0 1 00 91 0 作者简介 ： 张永勤( 1 9 6 0一) ， 男( 汉族 ) ， 山东人 ， 中国地质科学院勘探技术研究所新技术一室主任 、 教授级高级工程师 ， 中国地质科学 院第一 批科技创新基地成员 、 国土资源部专 家库成 员、 全 国专业标准化技术委员会委员 、 科技 部咨询专家， 从事探矿工程技术研究工作 ， 河北省廊坊市 金光道 7 7号 ， z y q i e t c n i e t C O I T I 。 2 探矿工程( 岩土钻掘工程) 2 0 1 0年第 3 7卷第 1 0期 和太平洋中直接发现 了海底天然气水合物。从此以 后 ， 揭开了人类全面进行陆地及海洋天然气水合物 调查研究的序幕 。从 2 0 0 1 年开始 ， 美国、 加拿大 、 日 本 、 中国、 俄罗斯及印度等国都进一步加大了对水合 物资源的勘查调研究的投资力度 ， 并开始了对水合 物开发工艺 的研究和开采试验。 为了获得水合物钻探取样的施工经验和验证加 拿大 Ma c k e n z in e冻土 区天然 气水 合物 异 常， 1 9 9 8 年 ， 加拿大地质调查局负责组织 ， 美国、 日本参与钻 探施工 的名为 Ma l l ik 2 L一3 8测试 井 ， 深度达 1 1 5 0 m， 取 出部分水合 物岩心样 品证实 了天然气 水合物 的存在， 实现了对陆域冻土天然气水合物认识上 的 飞跃 。 此后 ， 加拿大地质调 查局又联合德 国、 印度 和 I C D P等国家和国际组织 ， 于 2 0 0 2年在该地区再次 进行了 M a l l i k 5 L一3 8井钻探取样 和试 开采施 工项 目， 并成功开展了开采试验。2 0 0 4年 1 2月 ， 在 日本 千叶举行 了该项 目的阶段性成果总结会 。来 自项 目 参与国家及非项 目参与国的 1 0 0多位科学家参加了 成果总结和学术交流会议 。为了未来能够开发利用 陆地冻土天然气 水合物 ， 加拿 大地调 局于 2 0 0 7 2 0 0 8年， 又组织有关国家在 M a l l i k进行 了代号 Ma 1 1 ik 2 0 0 7及 Ma l l ik 2 0 0 8的开采试验研究。2 0 0 7年共 进行了 1 7 h的开采试验 ， 2 0 0 8年又连续进行了 6天 的开采试验 ， 都采用 了降压开采方法。开采试验的 层段为 1 0 9 31 1 0 5 m。在 2 0 0 8年的 6天连续开采 试验中， 平均每天的采气量为 2 0 0 0 m 。从 2 0 0 4 2 0 0 8年， 加拿大 、 美 国及 日本等国家一直在对 Ma l l i k 冻土水合物进行开采试验及环境等方面的研究 ， 并 曾相继发布几十份有关研究进展报告。 2 0世纪 9 0年代 ， 美 国对阿拉斯加北坡 海岸带 永久冻土区进行了天然气水合物调查评价， 并实施 了钻探施工。 2 0 0 3年 3月 3 1日， A n d a r k o石油公司 、 Ma u r e r 技术公 司和美 国能 源部开始在阿拉斯加 州 钻第一 口专 门进行 天然气水合 物调查研究井 “ 热冰 1 ” 井， 该井钻探目的是验证北极天然气水合 物存在的地质学 、 地球物理和地球化学模型。2 0 0 8 年 1 0月 ， 以美国能源部和地质调查局为首的项 目组 对阿拉斯加北坡进行了大规模 的陆地永久冻土区天 然气水合物全面综合 的调查评价及开采试验研究 。 钻探取样施工进行 的资源评价结果表明 ， 在阿拉斯 加北坡陆地永久冻土 区， 天然气水合物可能存在的 甲烷资源量达 8 5 4万亿立方英尺 ( 8 5 4 T r il l io n C u b ic F e e t G a s ) 。在 5 0 4 f t 的水合物层段 的岩心采取 率为 8 5 ， 采用 的泥浆温度为华 氏 3 0。 F 。美 国在 阿拉斯加北坡实施 的永久冻土区天然气水合物取样 钻探施工主要借助低温环境 ， 采用普通绳索取心施 工技术 ， 配合低温泥浆护心技术措施 。美 国地质调 查局等有关机构还发起墨西哥湾及阿拉斯加永久冻 土天然气水合物 国际合作项 目( J o in t I n d u s t r y P r o j e c t ) ， 该项 目计划从 2 0 0 1年到 2 0 1 1年联合 国内外 感兴趣的企业及科研机构 ， 对墨西哥湾海域水合物 实施地质调查及钻探开发试验研究 ， 同时还计划联 合国内外感兴趣 的企业及科研机构从 2 0 1 1年开始 对阿拉斯加进行陆地水合物调查评价及开采试验研 究 ， 目前正对感兴趣 的国家 、 企业和科研机构发出邀 请。 日本是进行水合物调查研究最积极的国家 ， 从 1 9 9 8年开始 ， 在 日本经 济贸易省的领导下 ， 每年投 入 6 0亿 E l 元 ， 有 2 0多个机构 2 0 0多位科 学家参与 天然气水 合物 的调 查研究 ， 1 9 9 9年 日本 利用美 国 T r a n s o e e a n I n c 公 司管理的 J O I D E S R e s o l u t io n深水 钻井船首次在其南海海槽 ( N a n k a i T r o u g h ) 实施海洋 天然气水合物取样钻探 施工 ， 取得 了一定 的进展。 2 0 0 4年 1月 1 8日5月 1 8日， 日本在其南海槽再 次租用美 国 T r a n s o e e a n I n c 公司的 J O I D E S R e s o l u t i o n深水钻井船 ， 在水 深 2 0 3 37 7 2 m进行 了世界 上最大规模 的海洋水合物取样钻探施工 ， 完成 了 3 2 口水合物钻探取样孑 L ， 对该海域水合物资源进行 了 全面调查评价 ， 并进行 了开采试验研究。 2 0 0 6年 ， 印度租用美 国 J O I D E S R e s o l u t io n深水 钻井 以及挪威 F u g r o公司的取样钻具完成 了 2 1口 天然气水合物取心钻探井 ， 并取出了天然气水合物 岩心样 品， 在印度天然气水合物勘探方面取得了突 破性 进展 。 迄今 ， O D P是世界上完成海洋天然气水合物钻 探取样调查评价次数最多国际机构 ， 曾先后完成 了 Le g 1 2 4 Le g1 3 9 1 Le g1 41 1 Le g1 4 6 Le g1 6 4 Le g1 9 6 L e g 2 0 4及 I O D P的 L e g 3 l 1等航 次的天然气水合物 钻探取样的调查评价工作。另外 ， 美 国、 挪威 、 欧盟 等国家也在相关海域进行 了天然气水合物钻探取样 调查评价工作。 目前韩国正在进行海洋水合物调查 取样钻探施工的准备工作 ， 预计 2 0 1 1 年进行钻探取 样施工。 目前在天然气水合物钻探取样技术方面 ， 在海 域 ， 除了具有满足深水钻探施工的钻井船外 ， 在取样 及取样工艺方面， 要求取样钻具要尽可能地保持水 合物的原始状态 ， 因此 ， 国内外一些专业机构在不断 2 0 1 0年第 3 7卷第 1 0期 探矿工程( 岩土钻掘工程 ) 3 研发钻探取样过程 中可以保持水合物原始状态的保 温保压取样钻具 ( P T C S ) 。在水合物发现与识别方 面， 在海洋， 人们通过海底拟反射层 ( B S R ) 初步判定 海底是否有可能存在天然气 水合物 ， 但在 陆域永久 冻土区， 人们还没有一种找到一种较准确 的确定水 合物是否存在或水合物异常的方法 。 最新得到的有关信息表明， 美国 、 加拿大及 日本 原计划 2 0 1 5 2 0 1 6年对其本土 的天然气水合物进 行商业开采 ， 但 目前 由于资源量及开采技术还存在 一 些技术问题 ， 所以商业开采 的时间可能要 向后推 迟。美 国和加拿大可能要推迟到 2 0 2 5年左右。 目前在天然气水合物调查研究方面取得最终突 破的技术环节之一是开发出能钻获并保持水合物样 品原始状态的钻具及施工技术。多年来国外许多机 构相继开展天然气水合物钻探取样钻具 的研究 ， 除 了13 本与美国合作开发的保压保温取心系统 ( P r e s s u r e&T e mp e r a t u r e C o f n g S y s t e m-P T C S ) 钻具外 ， 目 前在天然气水合物保压取心钻具研究取得进展的还 有 O D P的 O D PP C S及深 海钻 探计划 的 D S D P P C B保压取心钻具 、 美国 C h r i s t e n s e n公司的 P C B保 压取心 钻具 、 美 国 P C B B 1 保 压取 心钻 具、 E S S O P C B保压取心钻具 、 挪威 F u g r o 公 司的 F P C保压取 心钻具 、 欧盟 的 H R C保压取心钻具等。 目前上述保 压取心钻具有的看到实际应用情况的报道 ， 有的没 有实际应用情况的报道， 但从实际应用的效果看， 都 不十分理想。 经过一些 国家和国际机构的不断努力 ， 迄今在 地球上层先后发现 了 1 3 0多处天然气水合物成矿 点 ， 为人类不断探索和开发利用新型接替能源提供 新的希望。全球有可能存在天然气水合物及已经钻 取水合物样品的分布图如图 1 所示 。 Ga s Hy dr a t e Oc c ur r e n c e s 图 1 全球可能有水合物存在及 已经钻取水合物样品的分布图 2 中国天然气水合物调查研究现状及进展 中国在水合物的室 内研究及海上和陆地调查方 面起步较晚 ， 2 0世纪 9 0年初才 开始关注 国外有关 的报道和研究成果 ， 并 由中国科学院兰州地质所和 中国石油大学等单位率先开始水合物实验室合成研 究工作。1 9 9 5年， 在中国大洋协会、 地质矿产部和 国家科委的支持下 ， 中国地质科学院矿产资源研究 所 曾先后在南海 、 东海和太平洋 国际海底开展了天 然气水合物的调查研究工作 ， 并发现 了一系列 与天 然气水合物有关的地球化学和 自生 矿物异常标志。 在中国地质调查局的资助下 ， 1 9 9 9年 1 0月 ， 广州海 洋地质调查局在我国南海海域开始 了一系列有关天 然气水合物地质 、 地球物理和地球化学调查 ， 在神狐 等有关海洋发现了重要的地球物理标志B s R及 其他异常标志 ， 显示 出良好的寻找 天然气水合物的 前景。2 0 0 7年 5月 ， 中国地质调查局租用挪威 F u g r o 公司的深水钻井船及取样工艺方法在我国南海 北部神狐海域实施了中国首次海洋天然气水合物钻 探取样调查评价工作 ， 使我国海洋天然气水合物调 查取得 了突破性进展。 2 0 0 0年， 在国土资源部 的资助下 ， 中国地 质科 学院勘探技术研究所在国内第一个开始天然气水合 物保压取 心钻具 研发 ， 2 0 0 1年 ， 又在 国家 “ 十五” “ 8 6 3 ” 项 目的资助下 ， 进行 了不 同结构海洋天然气 水合物保压取样钻具及施工工艺的研究 。曾先后开 发出了提钻保压取心钻具和绳索打捞不提钻保压取 心钻具 ， 在电子致冷 、 蓄能器压力补偿及球 阀关闭取 样管等结构方面进行了试验研究和有益的探索 ， 并 对所试制的钻具样机在室内和陆地地热井进行了可 行 l生试验。在陆地 7 0 0多米深的地热井进行钻探取 样试验证明， 结构原理及各机构是可行的， 为进一步 完善水合物保真取样钻具及我国未来钻探取样施工 应用奠定 了基础。因此 ， “ 十一 五” “ 8 6 3 ” 计划继续 4 探矿工程( 岩土钻掘工程 ) 2 0 1 0年第 3 7卷第 1 O期 支持研发和完善天然气水合物保真取样钻具。 3 中国陆地永久冻土带天然气水合物钻探技术研 究及 进展 3 1 中国冻土分布及形成天然气水合物的条件 我国是世界上永久冻土分布面积第三大国， 约 占世界永久冻土面积的 1 0 ， 冻土总面积约 2 1 0万 k m ， 主要分布在我 国青藏高原 、 西部高原和东北大 小兴安岭( 参见图 2 ) 。其中青藏高原永久冻土区面 积占世界永久冻土面积的 7 ， 大约 占我 国永久冻 土区面积的 6 0 7 0 。青藏高原永久冻土属 于 高海拔和较低纬度地 区， 其分布特点是 ： 纬度越高 ， 永久冻土分布的最低海拔线越低 ； 纬度越低 ， 多年冻 土分布的最低海拔线越高 。青藏高原 中部高原分布 的最低海拔线达 4 5 0 0 l e t 以上 ， 向北分布的最低海拔 线随纬度的增高而降低 ， 向南分布 的最低海拔线 随 纬度的降低而增 高。虽然青藏高原 的南缘 纬度很 低 ， 但在终年积雪、 海拔很高的山顶部也有永久冻土 的存在。青藏高原永久冻土层的厚度随海拔和纬度 的不同而变化 ， 高原中部永久冻土层最厚 ， 向北随海 拔的降低而减薄 ， 向南 因纬度 的降低而减薄。 图 2中 国冻 土 类 型 及 其 分 布 青藏高原除上述地 区之外 ， 沿青藏铁路永久冻 土的分布 ： 北至昆仑 山， 南至安多 以南 ， 永久冻土层 呈大面积整体式分布。在南、 北接近整体或多年冻 土分布的边缘地带兼有岛状融区 ， 昆仑山以北 ， 安多 以南为多岛状永久冻土带 。在垂直分布上， 青藏高 原永久冻土层与季节冻土层大多是衔接的。青藏高 原永久冻土总体分布有 3个低温 中心 ， 青藏铁路穿 过 2个低温中心 ， 其温度值低于 一 6 o C。上述 3个 低温中心的分布与冻土分布具有密切联系。除了青 藏高原外 ， 我国东北地 区的漠河 盆地也具备形成天 然气水合物的温压条件。漠河地区的年平均气温最 低 ， 地温梯度最低 ( 1 6 C I O 0 m) ， 冻土最发育 ， 有 充足的气源 ， 是东北冻土区天然气水合物成矿条件 最好 的地 区。图 3为漠河盆地 钻取的冰层岩心样 品 。 图 3 漠 河 盆 地 钻 取 的 冰 层 岩 心 样 品 根据收集和掌握的地质资料 ， 2 0 0 4年中国地质 科学院勘探技术研究所 向 中国地质调查局提 出了 “ 陆地永久冻土天然气水合物钻探技术研究” 的地 质调查项 目， 2 0 0 5年该项 目得以批准立项并正式实 施 ， 其项 目编号为科 2 0 0 5 0 1 8 0 2 。 3 2 陆地永久冻土天然气水合物钻探技术研究 根据项 目任务书研究 内容及 目的要求 ， 项 目组 针对所掌握的国内外水 合物钻探技术 、 钻具结构及 我国陆地永久冻土 区的地质地理环境 、 水合物 的物 化特性等开始了有关计算 、 钻具结构 的设计及钻具 和辅助器具 的试制加工、 钻探施工方案的研究及制 定等全面工作。 3 2 1 陆地永久冻土带取样钻具结构设计 、 试制 根据加拿大及美 国等在陆地永久冻土带实施天 然气水合物取样钻探施工资料及经验， 结合我国祁 连山脉地区的地质地理情况 ， 确定 了以绳索取心钻 具结构方式为主体 的钻具基本结构及其施工工艺。 为了尽可能取出保持水合物原始状态的水合物层段 样品， 参考 国外水合物保压取心钻具结构 ， 以保压为 主 ， 保温为辅的总体思路 。考 虑到钻进施 工中地层 复杂可能存在孔壁不稳定等 因素 ， 钻探施 工中途有 可能换径 ， 所 以钻具结构尺寸初步考虑 3个规格 ， 即 第一种规格的钻杆可以作为第二规格的套管 。根据 钻探施工的主要 目的、 目标区的地层情况 、 保压钻具 的复杂程度及可靠性等， 为了能确保完成钻探施工 和取出所期望的水合物样品， 除了研制保压钻具外 ， 还研制了 3种特殊规格 的绳索打捞快速取样钻具 ， 以确保取样钻探施工 的实施 ， 以便对所发 现的陆地 冻土区的异常现象进行验证 。所研发的保压钻具及 绳索打捞钻具钻头外径完全一致 ， 即在同一钻孔 内 2 0 1 0年第 3 7卷第 1 0期 探矿工程( 岩土钻掘工程) 5 可以互换使用 。 3 2 2 保压钻具结构 的思考与确定 根据加拿大 Ma l l ik及美 国 A l a s k a陆地永 久冻 土层天然气水合物取心钻探施工所采用 的钻具结构 形式及施工经验， 水合物取心钻具的结构决定采用 主动保压和被动保温方式， 并采取绳索打捞不提钻 取心 。从钻具的结构 以及岩心进入岩心容纳管的方 式看 ， 经过分析 ， 最佳 的保压方式是利用球阀旋转封 闭岩心容纳管的下端面 ， 实践证实 ， 只有球阀封闭方 式占用 的空间最小。从球 阀的结构原理看 ， 要想关 闭球阀， 必须将球 阀转动 9 0 。 ， 要想使球 阀的中空球 体转动 9 O 。 ， 必须 给球体转轴 施加一定 的转矩。经 过分析 ， 在多种给球体转轴施加转矩的方式中， 齿轮 齿条方式是 比较简单可行 的。随着钻进 的进行 ， 在 岩心装满岩心容纳 管后 ， 利用绳索打捞装置 提拉 内 管总成的矛头， 首先使钻具内弹卡钳收缩 ， 以便将穿 过球阀并到达钻头 内台阶的岩心卡簧座上行到球阀 球体上端一定距离 ， 随着卡簧座的上行 ， 齿条开始受 到钻具的轴向力， 并带动齿轮开始转动 ， 当球阀球体 转动 9 0 。 后 ， 齿条上与齿轮啮合 的齿刚好走完 ， 随着 打捞装置提升 ， 齿条继续上行 ， 但齿轮并不转动 ， 所 以球阀封住岩心容纳管的下端。此时再继续提升打 捞装置， 钻具的外 弹卡钳开始收缩 ， 整个钻具的内管 总成即被提出钻杆外到达地表 ， 即完成取心钻进和 打捞过程。曾在室内对两种规格 的保压取心钻具进 行 了试验 ， 成功率达 到了 9 5 ， 保持压力可 以达到 1 0 MP a 。野外现场的保压取心钻具如图 4所示。 图 4 绳索打捞保压取 心钻具 内管总成齿轮齿条关闭球阀机构 3 2 3 保压取心钻具 的尺寸确定及试制 在钻具径 向结构尺寸的确定方面， 从既满足科 学研究要求又能结合实际生产应用 出发 ， 首先根据 取心直径 、 球阀关 闭机构最小允许尺寸 、 可能得到的 地质岩心钻探常用管材直径 、 地质岩心钻机的钻进 能力等现实情况 ， 从钻具结构可实现的难易程度看 ， 钻具径 向尺寸越大 ， 各功能的实现及可靠性就越容 易实现， 目前国外水合物保压取样钻具 的径向尺寸 都在 2 2 0 m m以上， 根据 目前我 国地质钻探管材规 格 ， 从上一级钻杆 内径可 以作为下级钻杆套 管的考 虑， 确定 了 0 1 2 7 、 1 0 8 m m二种规格保压保温取心钻 具 。从结构分析和实际加工试制情况看 ， 如果小规 格保压钻具在各个 功能和可靠性方面都较好实现， 那么大直径保压钻具更容易实现 。室内试验证明， 所选择的上述两种规格钻具 的功能和可靠性都能够 较理想实现， 为下一步海洋天然气水合物取样钻具 改进和完善提供重要参考 。根据对上述 2种规格钻 具的室 内试 验 ， 将 保压取 样钻 具径 向尺寸 提高 到 1 6 8 m m， 钻具 的各机构和动作及 可靠性就可十分可 靠地实现 。目前正在试制 1 6 8 m m规格钻具 。保压 取心钻具的关键是球 阀关闭的可靠性和密封性能 ， 在相同取心直径 的情况下 ， 径向尺寸越大 ， 球阀关闭 机构动作就更容易实现。 3 3 陆地永久冻 土带天然气水合物钻进工艺的研 究与应用 陆地永久冻土带天然气水合物取心钻具及其钻 探施工工艺研究是国内岩心钻探全新的钻具和技术 方法 ， 尤其是在海拔 4 2 0 0 m施工环境下 ， 再加之施 工地层极为复杂 ， 软硬互层 、 破碎不稳定 ， 所 以施工 难度较大。因此 ， 钻具及钻探施工工艺要在保证钻 进的同时， 还要尽可能保证取 出真实的地质样 品， 特 别是有水合物异常的地层 ， 能够保持完整或真实的 岩心样 品。所以， 取心钻具及施工工艺 的研究除了 具有常规取心钻探的特点外 ， 还必须从钻孔结构 、 钻 头切削刃类型及唇面结构 、 钻压、 回转速度 、 泥浆性 能及循环量 、 泥浆 温度 、 取心方式 、 回次进尺等进行 认真的考虑。尤其是泥浆要具有耐低温及护壁保心 的性能 。根据施工前对该地 区地层资料的收集及 以 往冻土层取心钻探施工遇到的困难 ， 地层破碎、 坍塌 及遇水膨胀、 泥质页岩及油页岩地层进尺极慢等是 钻探施工过程中最关键的工艺难题 。要想取得较好 的钻探取样效果 ， 必须保证泥浆具有 良好稳定孔壁 和冷却岩心以及对钻头具有较好刻取性能起到积极 的辅助作用 。为了满足陆地冻土天然气水合物钻探 取样技术研究及地质调查取样实际需要 ， 在工艺研 究及施工方案中采取 了综合钻探取样技术 ， 将保压 取样钻具及常规绳索快速取心技术方 法结合起来 ， 以满足地质钻探取样要求为主要 目的。 2 0 0 8年 1 0月 1 8日， 经过多年的研究和精心准 备， 我国第一口陆地久冻土带天然气水合物科学钻 探施工井在海拔 4 2 0 0 m的青海木里地 区正式开钻 ， 6 探矿工程( 岩土钻掘工程) 2 0 1 0年第 3 7卷第 1 O期 施工现场见图 5 。钻探施工过程 中， 曾先后采用 了 所研制的保压钻具及绳索取心钻具。保压钻具在应 图 5 中国第一口陆地永久冻土带水合物 DK一1 科学钻探试验孔开钻典礼 用过程 中虽然能能够取 出岩心 ， 但孔径的限制使得 钻具 的球 阀密封结构难度较大 ， 再加上要求泥密度 大 、 粘度高及含砂量较高， 使的钻具 的密封可靠性受 到一定影响。为了完成钻探施工并能够寻找天然气 水合物 ， 所 以主要采用特制的大直径绳索取心钻具。 尤其是泥浆要具有耐低温及护壁保心的性能。 根据施工前对该地区地层资料的收集及以往煤 田取 心钻探施工遇到 的困难 ， 地层破碎 、 坍塌及遇水膨 胀、 泥质页岩及油页岩地层进尺极慢等是钻探施工 过程 中最关键的工艺难题 。要想取得较好 的钻探效 果 ， 必须保证泥浆具有 良好稳定孔壁和冷却岩心 以 及钻头具有较好刻取效果的性能 ， 为此 ， 专门配制了 水合物低温盐水泥浆 ， 初步泥浆性能如表 1 。 表 1 不 同低温泥浆体 系配方及性能控制 上述泥浆虽然在低温状态下具有 良好 的流动 性 ， 但抑制泥页岩及破碎地层不够可靠。 在2 0 0 8 年的钻探取样施工过程中， 曾在 1 3 3 5 1 3 5 5 m、 1 4 2 91 4 7 7 m、 1 6 5 31 6 5 5 m三个 层段发现了天然气水合 物， 并取 出了人们所期望 的 水合物岩心样品( 如图 6所示 ) ， 为我国进一步开展 陆地永久冻土天然气水合物调查评价提供非常有价 值 的信息。 图6 钻探施工取 出的水合物样品在现场试燃 为了进一步证实该地区水合物的存在及获得更 多具有说服力的水合物样品 ， 决定 2 0 0 9年继续实施 取样钻探施工 。针对 2 0 0 8年钻探取样施工中遇 到 的技术难题 ， 项 目组从钻具结构 、 泥浆性能、 取心方 法 、 钻头唇面形式、 钻孔结构等进行了认真准备 。首 先 ， 采用美国百瑞得公司 ( B a r o id ) 的泥浆材料配合 国产抗盐高聚物配置低温高性能泥浆。泥浆配方 为 ： 苏打 0 51 0 k g m ； 膨润土( Q U I KG E L ) 8 2 4 k g m。 ； 页岩 粘土稳定剂( E Z MU D G O L D) 0 7 5 1 0 k g m。 ； K C I 1 8 0 k g m ； 抗 絮凝剂三聚磷酸钠 0 2 5 k g m ； 抗盐共 聚物 1 0 3 。泥浆初期性 能为 ： 密度 1 0 61 1 4 g c m ； 漏斗粘度 2 3 2 6 s ； 凝固点 一 2 ； 泥皮厚度 1 5 mm； 失水量 67 m L 。 由于钻进过程 中受地下水、 岩粉等影响 ， 泥浆的性能 2 0 1 0年第 3 7卷第 1 0期 探矿工程( 岩土钻掘工程 ) 7 在不断发生变化 ， 所以要 时刻观测泥浆的性能 以便 及时调整。由于本次采用的泥浆具有 良好的稳定孔 壁 、 抑制泥岩及油页岩膨胀等性能， 使得钻孔较稳定 和破碎地层取心效果 较好 。在钻 头结构方面 ， 由于 泥岩及油页岩地层塑性较大 ， 孕镶钻头钻进速度较 慢 ， 所 以 采 用 特 制 唇 面 的 大 水 口及 带 底 喷 水 眼复 合片金 刚 石钻 头 。 在 钻具 及 取心 方 面 ， 采 用 1 5 m短岩心管 、 半合管及 P V透明三层衬管的技术 措施 ， 取得 了能够观察到较原始结 构的岩心样 品。 2 0 0 9年 6月 1 6日， 在孔深 1 3 3 m取出了具有水合物 异常的岩心样品( 图7 ) 。 图 7 D K一 2孔取 出的水合物样 品及试燃 3 4 陆地永久冻土天然气水合物取样施工及取得 成 果 本项 目的重要成果是寻找到了陆地冻土天然气 水合物异常区域 ， 开发了为冻土带进行水合物取样 钻探施工的钻具 、 工艺方法 、 取样技术等 ， 摸索总结 了陆地永久冻土带施工经验。施工 的实践证明 ， 陆 地冻土天然气水合物钻探取样施工采用绳索取心钻 探工艺、 采用大直径钻具 ( 岩心直径 9 19 5 mm) 、 低温泥浆 ( 0 2 o C) 、 短 回次进尺 ( 11 5 m) 等技 术 ， 完全可高效低成本 地满足钻探取样 施工需求 。 利用本项 目研究成果实施钻探取样施工， 并发现获 取了天然气水合物样品， 使我 国冻土 区天然气水合 物地质调查评价及水合物取样钻探技术取得重大突 破 ， 为我 国进一步开展冻土 区天然气水合 物调查研 究及相关地 学研究 指引 了方 向并奠定 了 良好 的基 础 ， 同时也充分证明了课题组前期的地质 资料收集 与信息研究、 野外踏勘及钻探取样工作是真实可靠 的， 钻具的研究与设计制造 、 工 艺方法的研究 、 施工 方案研究及钻探施工准备工作是可行实用的， 所 以 该项 目的初期成果是非常明显 的。2 0 0 9年在 2 0 0 8 年的基础上 ， 实施 了 D K一2 、 D K一3及 D K一4钻孔 施工 ， 并取得 了水合物样品和发现水合物异常， 经过 青岛海洋地质研究所水合物测试 中心测试鉴定 ， 证 实了甲烷水合物的真实存在 ， 该成果得到了党 和国 家领导人及部 、 局领导肯定和赞扬 。该 成果 的取得 对我国实施陆地水合物调查研究、 勘探开发试验， 特 别是海洋天然气水合物的勘探开发及新能源的勘探 具有十分重要意义。2 0 1 0年， 曾先后在祁连山木里 地 区和东北漠河地区实施 了陆地冻土天然气水合物 取样钻探取样施工 ， 目前在祁连山的 2个取样钻探 孔已经完成 ， 漠河盆地钻探取样施工正在进行 当中。 同时还在木里地区进行 了水合物开采试验研究 ， 开 采钻探施工正在进行当中。 目前我国陆地冻土带天 然气水合物的调查研究及取样钻探技术研究已达到 国际先进水平 ， 引起了国际同行的关注和好评 ， 并 同 美国、 加拿大 、 俄罗斯等有关冻土水合物研究机构建 立 了联系 ， 并达成相关合作意向。 4 中国未来天然气水合物调查评价钻探取样技术 研究的方向及建议 通过几年对海洋及陆地永久冻土带天然气水合 物保真取样钻具及钻探取样施工技术的研究 ， 收集 和掌握 了国外在海洋及陆地永久冻土天然气水合物 取样钻探施工的信息， 对水合物的真实物性有了全 面了解 ， 特别是水合物的“自保护效应 ” 。天然气水 合物的“自保护效应 ” 对进行水合物钻探取样施工 及工艺器具与方法确定具有重要的作用。由于天然 气水合物具有“自保护效应 ” ， 所 以在水合物的钻探 取样施工不要把问题复杂化 ， 不要把水 合物 的物化 性能神秘 化。实 际上 ， 由于水 合 物 的 “自保 护 效 应” ， 在钻探取样过程中， 水合物实物样品并不像鞭 炮和其他易燃气体一样 ， 在 自然状态下立刻分解释 放 。如果把水合物 的特性神秘化和复杂化 ， 必将使 水合物的调查评价取样施 工复杂化 ， 制约 了我国水 合物调查评价和勘探开发的进度。因为 ， 保温保压 取样钻具的结构非常 复杂， 制造难度 大 ， 可靠性较 8 探矿工程( 岩土钻掘工程) 2 0 1 0年第 3 7卷第 1 0期 低 ， 实际上 ， 不用保压取样钻具也可以满足调查评价 取样要求 ， 即采取综合钻探取样方法 ， 比如低温泥浆 和绳索打捞快速取样钻探法 ， 采用低温泥浆和双壁 钻杆闭路反循环“ 实时” 取样采气结合测 井等综 合 技术措施。美国、 加拿大及我 国祁连山陆地永久冻 土层天然气水合物钻探取样都没有采用保压取样钻 具 ， 而且都可以钻获满足地质取样要求 的水合物样 品。中国在天然气水合物钻探技术方面应注重简单 实用且能满足地质取样要求的综合钻探取样技术。 为了探索新的取样方法 ， 吉林大学曾进行 了孔底冷 冻取样技术的研究 ， 目前取得 了一定进展。为未来 开采利用做好技术储备 ， 中国地质科学院勘探技术 研究所等正在进行现场开采试验研究 ， 已试制出降 压和电及太阳能加热地下增温的综合开采设备和技 术方法 ， 即将在祁连山陆地冻土水合物发现区进行 试验 。 尽管 目前我国陆地冻土天然气水合物取样钻探 技术取得一定进展 ， 但在专用 设备及施工效率和成 本方面还不尽理想 ， 特别是陆地及海洋天然气水合 物取样钻探施工专用设备方面 目前还是空 白， 在海 洋天然气水合物钻探技术及施工设备方面，